機械現(xiàn)代設計與 (2)

1、第二章 機械現(xiàn)代設計與創(chuàng)新設計 12傳統(tǒng)設計與現(xiàn)代設計 2-1 現(xiàn)代設計方法 一、現(xiàn)代設計的概念1設計設計是復雜的思維過程，設計過程蘊涵著創(chuàng)新和發(fā)明的機會。傳統(tǒng)設計又稱常規(guī)設計，分為初步設計、技術設計、施工設計三個步驟。 2現(xiàn)代設計將傳統(tǒng)設計中的經(jīng)驗、類比法設計提高到邏輯的、理性的、系統(tǒng)的新設計方法，是在靜態(tài)分析的基礎上，進行動態(tài)多變量的最優(yōu)化。3（1）系統(tǒng)性現(xiàn)代設計把設計對象看作一個系統(tǒng)，同時考慮系統(tǒng)與外界的聯(lián)系，用系統(tǒng)工程概念進行分析和綜合，通過功能分析、系統(tǒng)綜合等方法，力求系統(tǒng)整體最優(yōu)，使人積之間的功能相互協(xié)調。 現(xiàn)代設計與傳統(tǒng)設計比較，有下列幾個特征： 4（2）創(chuàng)造性現(xiàn)代設計強調創(chuàng)造能

2、力開發(fā)和充分發(fā)揮人的創(chuàng)造性；重視原理方案的設計、開發(fā)和創(chuàng)新產(chǎn)品。只有創(chuàng)新才能有所發(fā)明。但是，今天的科學技術已經(jīng)高度發(fā)展，創(chuàng)新往往是在已有技術基礎上的綜合。有的新產(chǎn)品是根據(jù)別人的研究實驗結果而設計，有的是博采眾長，加以巧妙地組合。5（3）綜合性現(xiàn)代設計在設計過程中，綜合考慮、分析市場需求、設計、生產(chǎn)、管理、使用、銷售能各方面的因素；綜合運用優(yōu)化是系統(tǒng)工程、可靠性理論、價值工程、技術等學科的知識，探索多種解決設計問題的科學途徑。6（4）程式性現(xiàn)代設計研究設計的一般進程，包括一般設計戰(zhàn)略和用于設計各個具體部分的戰(zhàn)術方法。要求設計者從產(chǎn)品規(guī)劃、方案設計、技術設計、施工設計到實驗、試制，按步驟有計劃地進

3、行設計。 7二、現(xiàn)代設計方法的特點和范疇 （1）信息論方法如信息分析法，技術預測法的，它們是現(xiàn)代設計方法的前提。（2）系統(tǒng)論方法如系統(tǒng)分析法，人機工程等。現(xiàn)代設計方法是科學方法論在設計中的應用，可歸納為下列具有普遍意義的方法：8（3）控制論方法如動態(tài)分析法等。（4）優(yōu)化論方法如有優(yōu)化設計等，它是現(xiàn)代設計法的目標化。（5）對應論方法如相似設計等。（6）智能論方法如計算機輔助設計、計算機輔助計算等。（7）壽命論方法如可靠性和價值工程等。9（8）離散論方法如有限元及邊界元方法。（9）模糊論方法如模糊評價和決策等。（10）突變論方法創(chuàng)造性設計，它是現(xiàn)代設計的基礎上。（11）藝術論方法如藝術造型等。10

4、三、現(xiàn)代設計方法研究的概況 日本自1960年以來開始有關現(xiàn)代設計方法的研究，提高設計人員素質，開展工程技術教育?，F(xiàn)在日本在產(chǎn)品開發(fā)中的更新速度受到全世界的關注，其產(chǎn)品的競爭能力已給許多國家造成巨大壓力和挑戰(zhàn)。11在美國的設計工作中，產(chǎn)品設計圖紙基本上由計算機繪制，設計者可以擺脫常規(guī)的技術工作，集中精力進行創(chuàng)造性設計。美國的學者強調“創(chuàng)造性設計”，提倡設計中創(chuàng)造能力的開發(fā)，把設計活動分為創(chuàng)造分析決策三個步驟。12我國對現(xiàn)代設計方法的研究是從上世紀80年代開始的，通過派留學生到國外進修學習和請國外專家來講學，組織各種類型的講習班，培訓班、開展國內外學術交流等，推廣和普及現(xiàn)代設計的基本知識。由于世界

5、各國對設計方法的研究越來越重視，目前已成為一項國際性學術活動。有關國家組織了關于現(xiàn)代設計方法的國際會議，比如國際工程設計會議（ICED）就是其中之一。13四、現(xiàn)代設計方法簡介1優(yōu)化設計優(yōu)化設計是現(xiàn)代設計方法的重要內容之一，它以數(shù)學規(guī)劃為理論基礎，以電子計算機為工具，在充分考慮各種設計約束的前提下，尋求滿足某些將預定目標的最優(yōu)設計方案。14（1）優(yōu)化設計的數(shù)學模型設計變量、目標函數(shù)和約束條件是優(yōu)化設計數(shù)學模型的三個要素。求X=x1,x2,.,xnT，使minf(X)=f(x1,x2,.,xn)XRns.t. gi(X)0(i=1,2,p)hj(X)=0(j=1,2,q)15（2）優(yōu)化方法其基本思

6、想是搜索、迭代和逼近。即求解時，從某一初始點出發(fā)，利用函數(shù)在某一局部區(qū)域的性質和信息，確定每一迭代步驟的搜索方向和步長，去尋找新的迭代點，這樣一步一步地重復數(shù)值計算，用改進后的新設計點替代老設計點，逐步改進目標函數(shù)，并最終逼近極值點。 162變型產(chǎn)品設計為了滿足使用者的不同要求，可在原有產(chǎn)品基礎上進行變型產(chǎn)品的開發(fā)，使零件標準化化、部件通用化、產(chǎn)品系列化。變型產(chǎn)品系列包括：縱系列產(chǎn)品，橫系列產(chǎn)品和跨系列產(chǎn)品?？v系列產(chǎn)品設計也稱相似系列產(chǎn)品設計，是在基型產(chǎn)品的基礎上利用相似理論求各擴展型產(chǎn)品的尺寸和參數(shù)。17基型產(chǎn)品一般選在系列產(chǎn)品的中檔，為常用型號。系列產(chǎn)品是指具有相同功能、相同結構方案，相同

7、或相似加工工藝，且各產(chǎn)品相應的尺寸參數(shù)及性能指標具有一定級差的產(chǎn)品?；彤a(chǎn)品18在系列產(chǎn)品設計中，一般有兩種造型原理：幾何級數(shù)的幾何相似產(chǎn)品系列和幾何級數(shù)的半相似產(chǎn)品系列。中系列產(chǎn)品設計的步驟依次是基型設計、確定相似類型、定各尺寸、參數(shù)級差，求各擴展型產(chǎn)品尺寸參數(shù)及確定全系列產(chǎn)品結構尺寸等。系列產(chǎn)品造型原理193價值工程設計設計的目標是在滿足功能需求的前提下，提高產(chǎn)品的價值。價值是產(chǎn)品功能與成本的綜合反映，即式中，V產(chǎn)品的價值（實用價值）；F產(chǎn)品具有的功能；C實現(xiàn)該功能說和耗費的成本。 202-2創(chuàng)新設計1創(chuàng)新設計的特點（1）獨創(chuàng)性獨創(chuàng)性體現(xiàn)為敢于提出與前人、眾人不同的見解，敢于打破一般思維的

8、常規(guī)慣例，尋找更合理的新原理、新機構、新功能、新材料，獨創(chuàng)性能使設計方案標新立異，不斷創(chuàng)新。 （2）實用性實用性體現(xiàn)在對市場的適應性和可生產(chǎn)型兩方面。21（3）突破性人們往往從考慮某類問題獲得成功的思維模式中尋求解題方案，受到“思維定式”的約束。突破性敢于克服心理上的慣性，從思維定式的框框中解脫出來，善于從新的技術領域中接受有用的事物，提出新原理、創(chuàng)造新模式、貢獻新方法，為工程技術問題打開新局面。（4）多向性善于從多種不同角度考慮問題，是創(chuàng)新設計的重要特征。 22（5）連動性創(chuàng)造性思維也是一種連動思維，它引導人們由已知探索未知，開闊思路。連動思維包括縱向、橫向、逆向思維?？v向思維針對某現(xiàn)象和問

9、題進行縱深思考，探尋其本質而得到新的啟示。橫向思維通過某一現(xiàn)象聯(lián)想到特點與它相似和相關的事物，從而發(fā)現(xiàn)新應用。逆向思維針對現(xiàn)象、問題和解法，分析其相反的方面，從另一角度探尋新的途徑。23（6）突變型自覺思維、靈感思維是在創(chuàng)造性思維中對問題產(chǎn)生的一種突如其來的領悟和理解。在思維過程中突然閃現(xiàn)出一種新設想、新觀念，從而使問題得到解決。如果阿基米德從洗澡時浴缸中水的溢出產(chǎn)生靈感而推出浮力定律。又如美國工程公司杜里埃研究如何使汽油和空氣均勻混合以保證內燃機有效工作的問題，一天他看到妻子噴灑香水而受到啟發(fā)，創(chuàng)造了發(fā)動機的汽化器。242創(chuàng)新設計的類型（1）開發(fā)設計在未知情況下，根據(jù)產(chǎn)品總功能和約束條件，提

10、出新原理、進行技術設計。（2）變異設計在已有產(chǎn)品的基礎上，針對產(chǎn)品的缺點和用戶的要求，進行變型產(chǎn)品的開發(fā)，以適應市場需要。25（3）反求設計針對已有的新進展產(chǎn)品和樣機，分析其關鍵技術，在消化、吸收、引進先進技術的基礎上，利用移植、組合、改造等方法，設計創(chuàng)新產(chǎn)品。 26四、創(chuàng)新設計方法創(chuàng)新設計方法有很多種，下面簡單介紹智力激勵法、提問追溯法、聯(lián)想類推法、返向探求法、系統(tǒng)分析法、組合創(chuàng)新發(fā)六種。271智力激勵法人的創(chuàng)造性思維特別是直覺思維在受激發(fā)情況下能得到較好地發(fā)揮。一批人集合在一起，針對某個問題進行討論時，由于各人知識、經(jīng)驗不同，觀察問題的角度和分析問題的方法各異，提出的各種主意能互相啟發(fā)，填

11、補知識空隙，啟發(fā)誘導出更多創(chuàng)造性思想，通過激勵、智慧交流和集智達到創(chuàng)新的目的。 282提問追溯法提問追溯法是有針對性地、系統(tǒng)地提出問題，在回答問題過程中，便可能產(chǎn)生各種解決問題的設想，使設計所需要的信息更充分，解法更完善。提問追溯法有奧斯本體溫法、阿諾爾特提問法、希望點列舉法、缺點列舉法。 293聯(lián)想類推法通過由此及彼的聯(lián)想和異中求同，同中求異的類比，尋求各種創(chuàng)新解法。利用聯(lián)想進行發(fā)明創(chuàng)新是一種常用而且十分有效的辦法。許多發(fā)明者都善于聯(lián)想，許多發(fā)明創(chuàng)新也得益于聯(lián)想的妙用。類比聯(lián)想由一事物或現(xiàn)象聯(lián)想到與其有類似特點的其他事物或現(xiàn)象，從而找出創(chuàng)新解法。 304返向探求法將人們通常思考問題的思路反轉過來，從背逆常規(guī)的途徑探尋新的解法，因此返向探求法亦稱逆向思維法。例如聲音既是振動那么振動為什么不能復現(xiàn)原聲呢？通過這樣的反問，發(fā)明了留聲機